JP5153378B2 - 固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置及びその駆動方法に関する。

近年、固体撮像装置は広く、動画、静止画及び様々な撮像用途に用いられてきている。特に画素内に増幅ＭＯＳトランジスタを持ち、周辺回路をオンチップ化できるＣＭＯＳセンサの性能向上はめざましく、画質の向上はとどまるところを知らない。ＣＭＯＳセンサの画質を更に向上するためには、画素内の増幅ＭＯＳトランジスタで発生するランダムノイズ、固定ノイズを低減することが重要な課題となっている。

増幅ＭＯＳトランジスタのリセットノイズの除去は、相関二重サンプリング技術にて除去する手法が広く用いられている。相関二重サンプリングは、増幅ＭＯＳトランジスタの入力部をリセットした状態の出力（以下、リセット出力）と、光電変換素子の信号電荷を増幅ＭＯＳトランジスタの入力部に転送した状態の出力（以下、信号出力）の差分を求める。これにより、光電変換素子の信号電荷量を低ノイズで読み出す技術が相関二重サンプリングである。この技術を用いることによりＣＭＯＳセンサの画質は著しく向上してきている。

また、固体撮像装置の技術の進化は、光学サイズの縮小化、多画素化を目的として画素ピッチは縮小化の一途をたどっており、画素ピッチを縮小しても光電変換素子の信号電荷量を維持することも重要な課題となっている。

この課題に対する解決手段として、画素共有化技術にて光電変換素子の面積を確保する技術が用いられている。画素共有化技術とは、増幅ＭＯＳトランジスタやリセットＭＯＳトランジスタなどの画素内回路を複数の光電変換素子で共有化することにより光電変換素子１つあたりの素子数を削減する技術である。画素共有化技術を用いた画素回路の構成及び駆動方法については下記の特許文献１に開示されている。

一方、増幅ＭＯＳトランジスタで発生するノイズとして、１／ｆノイズも重要な要素として知られている。ＭＯＳトランジスタの１／ｆノイズに関しては様々な研究がなされているが、特に固体撮像装置における振る舞いに関して、下記の特許文献２にて記載がなされている。

特開２００５−１９８００１号公報 特開２００３−０３２５５４号公報

特許文献２に記載の現象は、本発明者の研究によると、トランジスタのバイアスに変化があった際に、トランジスタの出力は１００ｍｓ程度の比較的長い時間に渡りバイアス変化の影響が残っていると考えられる。さらにこの考え方に基づき本発明者が研究した結果によると、増幅ＭＯＳトランジスタの出力はゲート電位が大きく変動した後、等価回路の時定数に比べて非常に長い時定数にて出力値が微小な変化をすることが解った。

増幅ＭＯＳトランジスタの出力値が微小な変化をしている期間に相関二重サンプリングを行うと、微小な変化分が擬似信号として正しい信号に重畳される。擬似信号の振幅が、画素ごとにばらつく場合は固定パターンとなり、撮像面内で傾向を持つ場合はシェーディングとなって画質を悪化させる要因となる。

本発明の目的は、増幅トランジスタによる擬似信号の発生を抑制し、固定パターンノイズ、シェーディングの少ない固体撮像装置及びその駆動方法を提供することである。

本発明の固体撮像装置は、光電変換により電荷を生成及び蓄積する複数の光電変換素子と、電荷を保持するための一のフローティングディフュージョン部と、前記複数の光電変換素子に蓄積された電荷を前記一のフローティングディフュージョン部にそれぞれ転送する複数の転送スイッチと、前記一のフローティングディフュージョン部に保持された電荷に対応する電圧を増幅する増幅トランジスタとを含む複数の画素回路を２次元に配列した撮像領域と、前記複数の転送スイッチを制御する垂直走査回路と、前記増幅トランジスタにより増幅された電圧を読み出すための水平走査回路と、前記増幅トランジスタに供給する電源電圧を制御することにより前記増幅トランジスタを活性状態にし、前記増幅トランジスタに供給する電源電圧を制御することにより前記増幅トランジスタを不活性状態にする電源回路とを有し、前記増幅トランジスタの活性状態を維持したまま前記複数の転送スイッチが前記複数の光電変換素子の電荷を順次前記一のフローティングディフュージョン部に転送し、前記水平走査回路により前記複数の光電変換素子の電荷に応じた電圧を順次読み出し、前記増幅トランジスタの活性状態を維持する期間は、水平走査期間の少なくとも一部を含み、一の前記画素回路からの信号を読み出す水平走査期間に、別の一の前記画素回路の前記増幅トランジスタが活性状態であることを特徴とする。

また、本発明の固体撮像装置の駆動方法は、光電変換により電荷を生成及び蓄積する複数の光電変換素子と、電荷を保持するための一のフローティングディフュージョン部と、前記複数の光電変換素子に蓄積された電荷を前記一のフローティングディフュージョン部にそれぞれ転送する複数の転送スイッチと、前記一のフローティングディフュージョン部に保持された電荷に対応する電圧を増幅する増幅トランジスタとを含む複数の画素回路を２次元に配列した撮像領域と、前記複数の転送スイッチを制御する垂直走査回路と、前記増幅トランジスタにより増幅された電圧を読み出すための水平走査回路と、前記増幅トランジスタに供給する電源電圧を制御することにより前記増幅トランジスタを活性状態にして前記増幅トランジスタに供給する電源電圧を制御することにより前記増幅トランジスタを不活性状態にする電源回路とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、前記増幅トランジスタの活性状態を維持したまま前記複数の転送スイッチが前記複数の光電変換素子の電荷を順次前記一のフローティングディフュージョン部に転送し、前記水平走査回路により前記複数の光電変換素子の電荷に応じた電圧を順次読み出し、前記増幅トランジスタの活性状態を維持する期間は、水平走査期間の少なくとも一部を含み、一の前記画素回路からの信号を読み出す水平走査期間に、別の一の前記画素回路の前記増幅トランジスタを活性状態にすることを特徴とする。

増幅トランジスタによる擬似信号の発生を抑制することで、固定パターンノイズやシェーディングを少なくすることができる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による画素の等価回路図である。以下、ＭＯＳ電界効果トランジスタを単にＭＯＳトランジスタという。１０１及び１０２は光電変換素子であり、それぞれ転送スイッチ１０３、１０４を介してフローティングディフュージョン部（以下、ＦＤ部）１０５に接続されている。ＦＤ部１０５は、実際には増幅ＭＯＳトランジスタ１０６のゲート容量、リセットＭＯＳトランジスタ１０７のソース容量、転送スイッチ１０３、１０４のドレイン容量及びこれらを接続する配線の寄生容量によって形成されるノードである。転送スイッチ１０３及び１０４のゲートはそれぞれ信号Ｔｘ１（ｎ）、Ｔｘ２（ｎ）により制御される。リセットＭＯＳトランジスタ１０７のゲートは信号Ｒｅｓ（ｎ）により制御される。ここでｎは画素の行のアドレスを示している。増幅ＭＯＳトランジスタ１０６のドレインと、リセットＭＯＳトランジスタ１０７のドレインは電源電圧Ｖｒに接続されている。電源電圧Ｖｒは可変電源であり、時刻によって異なる電位を与えることができる。増幅ＭＯＳトランジスタ１０６のソースは垂直信号線Ｏｕｔ（ｍ）に接続されている。ここでｍは画素の列のアドレスを示している。垂直信号線Ｏｕｔ（ｍ）には不図示のサンプルホールド回路が設けられており、垂直信号線Ｏｕｔ（ｍ）に出力された信号を保持することができる。電源回路が電源電圧Ｖｒを制御する。

図１は２つの光電変換素子１０１及び１０２で画素回路を共有化した単位セルであるが、単位セルを二次元に配列することで撮像領域を構成することができる。図２は本発明の第１の実施形態における固体撮像装置のブロック図であり、撮像領域２０１、垂直走査回路２０２及び水平走査回路２０３にて構成される。水平走査回路２０３は、サンプルホールド回路にて保持されている信号を順次選択し、出力部である出力２０４へ転送する。

相関二重サンプリングは、増幅ＭＯＳトランジスタ１０６の入力部をリセットした状態の出力（以下、リセット出力）と、光電変換素子１０１又は１０２の信号電荷を増幅ＭＯＳトランジスタ１０６の入力部に転送した状態の出力（以下、信号出力）の差分を求める。信号出力には、光電変換により得られた信号電荷量に加えてリセット出力に相当する電荷量も含まれる。そこで、リセット出力と信号出力との差分を取ることで光電変換素子１０１又は１０２の信号電荷量を低ノイズで読み出す技術が相関二重サンプリングである。ここでは、不図示のサンプルホールド回路でリセット出力と信号出力とを保持する場合を例に説明している。

図３は本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。時刻ｔ１において信号Ｒｅｓ（ｎ）、Ｒｅｓ（ｎ＋１）、Ｒｅｓ（ｎ＋２）・・・がハイレベルになり、各行のリセットＭＯＳトランジスタ１０７がオンする。このとき電源電圧Ｖｒはローレベルであり各ＦＤ部１０５は低い電位にリセットされる。すなわち、不活性状態となる。時刻ｔ２において電源電圧Ｖｒがハイレベルになり、時刻ｔ３において選択行のみのリセットＭＯＳトランジスタ１０７は信号Ｒｅｓ（ｎ）によりオンする。つまり、活性状態となる。ここまでの駆動により選択行のＦＤ部１０５のみが高い電位となり、垂直信号線Ｏｕｔ（ｍ）、Ｏｕｔ（ｍ＋１）、Ｏｕｔ（ｍ＋２）・・・の電位は選択行の増幅ＭＯＳトランジスタ１０６によって決定される。この状態では、ｎ行の増幅ＭＯＳトランジスタ１０６のみが活性状態であり、それ以外の行、すなわちｎ＋１、ｎ＋２行・・・の増幅ＭＯＳトランジスタ１０６は不活性の状態となる。次に、時刻ｔ４にサンプルホールドパルスＳＨＲを用いてリセット出力をサンプルホールド回路によりサンプルホールドする。次に、時刻ｔ５に信号Ｔｘ１（ｎ）により光電変換素子１０１の信号電荷をＦＤ部１０５に転送した後、時刻ｔ６にサンプルホールドパルスＳＨＳを用いて信号出力をサンプルホールド回路によりサンプルホールドする。次に、水平走査期間Ｈｓｃａｎ（ｎ：１）において水平走査を行った後、今度はｔ７〜ｔ１０の動作にてＴｘ２（ｎ）でアドレスされる光電変換素子１０２の信号電荷を読み出し、水平走査期間Ｈｓｃａｎ（ｎ：２）において水平走査を行う。なお、図３においては時刻ｔ１とｔ３に分けてＲｅｓ（ｎ）のパルスをハイレベルにしているが、時刻ｔ１〜ｔ３にかけて連続してハイレベルパルスを与えても読み出し動作は可能である。

従来の固体撮像装置の駆動方法では、水平走査期間Ｈｓｃａｎ（ｎ：１）の後にＦＤ部１０５を低い電位にリセットして増幅ＭＯＳトランジスタ１０６を不活性化した後、再びＦＤ部１０５を高い電位にリセットして増幅ＭＯＳトランジスタ１０６を活性化していた。従来の固体撮像装置では光電変換素子１０２の読み出しは増幅ＭＯＳトランジスタ１０６を活性化した後の比較的短い時間、具体的には数μｓ〜数十μｓ以内に相関二重サンプリング読み出しを行うことになり、上述の［発明が解決しようとする課題］が発生する。

一方、本実施形態においては水平走査期間Ｈｓｃａｎ（ｎ：１）の間もＦＤ部１０５は高い電位のまま保持するため、光電変換素子１０２の信号電荷の読み出しは比較的長い期間に渡り活性化状態にあった増幅ＭＯＳトランジスタ１０６にて行われる。具体的には増幅ＭＯＳトランジスタ１０６の活性化から読み出しまでの期間は、ノイズ出力の読み出しに対してはｔ２〜ｔ８、信号出力の読み出しに対してはｔ２〜ｔ１０である。この期間は水平走査期間を含むため、例えばＨＤ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）動画の場合、およそ１５ｍｓ以上に及ぶ。

以上の駆動により、本発明の第１の実施形態においては信号Ｔｘ２（ｎ）、Ｔｘ２（ｎ＋１）、Ｔｘ２（ｎ＋２）・・・により転送される信号電荷量の読み出しに対する擬似信号を特に低減することができる。撮影した画像のノイズ感は各画素のノイズ量の和に依存するため、本実施形態により擬似信号を低減することで画質を向上することが可能である。

（第２の実施形態）
本発明の第１の実施形態においては、信号Ｔｘ１（ｎ）により転送した信号電荷量の読み出しの後、水平走査期間Ｈｓｃａｎ（ｎ）を経た後に信号Ｔｘ２（ｎ）により信号電荷の転送を行っている。本実施形態は信号Ｔｘ１（ｎ）及びＴｘ２（ｎ）による信号電荷を水平走査回路２０３内に設けられたラインメモリに保持した後、水平走査を行う場合においても効果を得ることができる。

図４に本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。画素の等価回路及び固体撮像装置のブロック図は第１の実施形態と同じである。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は水平走査期間Ｈｓｃａｎ（ｎ：１，ｎ：２）の前に信号Ｔｘ１（ｎ）及びＴｘ２（ｎ）で転送される信号電荷をサンプルホールドしている事である。このような駆動を行う利点は、１フレームを読み出すために必要な水平走査期間の回数が半分になり、読み出しの高速化が容易になる事である。本実施形態の駆動タイミングの特徴は、信号Ｔｘ２（ｎ）で転送される信号電荷の読み出しを行う直前に増幅ＭＯＳトランジスタ１０６を不活性状態にすることなく相関二重サンプリングを行う点である。具体的には、増幅ＭＯＳトランジスタ１０６の活性化から読み出しまでの期間は、ノイズ出力の読み出しに対してはｔ２〜ｔ８、信号出力の読み出しに対してはｔ２〜ｔ１０である。

本実施形態によれば、信号Ｔｘ２（ｎ）、Ｔｘ２（ｎ＋１）、Ｔｘ２（ｎ＋２）・・・により転送される信号電荷量の読み出しに対する擬似信号を低減しつつ、読み出しの高速化を図ることができる。

（第３の実施形態）
図５に本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。画素の等価回路及び固体撮像装置のブロック図は第１及び第２の実施形態と同等である。本実施形態が第２の実施形態と異なる点は、期間ｔ１’が、リセット出力のサンプルホールド（ｔ８）及び信号出力のサンプルホールド（ｔ１０）と、水平走査期間Ｈｓｃａｎ（ｎ：１，ｎ：２）の間にある点である。期間ｔ１’は、信号Ｒｅｓ（ｎ）、Ｒｅｓ（ｎ＋１）、Ｒｅｓ（ｎ＋２）・・・を一斉にハイレベルにして、各ＦＤ部１０５を低い電位にリセットする期間である。ＦＤ部１０５を低い電位にリセットするためには電源電圧Ｖｒを低い電位にする必要がある。時刻ｔ１’においては信号Ｒｅｓ（ｎ＋１）によりアドレスされる増幅ＭＯＳトランジスタ１０６は、他の行の増幅ＭＯＳトランジスタ１０６と同様に不活性状態になっている。本実施形態では、その直後の時刻ｔ３’において信号Ｒｅｓ（ｎ＋１）によりアドレスされる増幅ＭＯＳトランジスタ１０６は活性化される。水平走査期間Ｈｓｃａｎ（ｎ：１，ｎ：２）の間を含め増幅ＭＯＳトランジスタ１０６は活性化状態にあり、その後に信号Ｔｘ１（ｎ＋１）及びＴｘ２（ｎ＋１）により転送される信号電荷を順次読み出している。本実施形態においては、信号Ｔｘ１（ｎ＋１）及びＴｘ２（ｎ＋１）の両者の読み出しに対して、増幅ＭＯＳトランジスタ１０６に十分長い活性化期間を設けることができる。具体的には、増幅ＭＯＳトランジスタ１０６の活性化から読み出しまでの期間は、信号Ｔｘ１（ｎ＋１）に対応するノイズ出力の読み出しに対してはｔ３’〜ｔ１４、信号出力の読み出しに対してはｔ３’〜ｔ１６である。そして、信号Ｔｘ２（ｎ＋１）に対応するノイズ出力の読み出しに対してはｔ３’〜ｔ１８、信号出力の読み出しに対してはｔ３’〜ｔ２０である。

以上、本発明の第３の実施形態によれば、信号Ｔｘ１（ｎ）及びＴｘ２（ｎ）により転送される信号電荷量に対応する読み出しの両者に対して擬似信号を低減することができる。そのため、［発明が解決しようとする課題］に対する改善効果がより顕著であることに加え、さらに、以下の効果が得られる。

従来の画素共有化技術を用いた際には、増幅ＭＯＳトランジスタのバイアス変化が起きた時刻から相関二重サンプルリングを行うまでの時間が画素ごとに異なり、擬似信号の大きさが周期的に変化するという問題が発生する。この問題は、単板式カラーの固体撮像装置においては偽色の発生といった問題を引き起こす。

本発明の第３の実施形態においては、画素共有化を行った固体撮像装置においても増幅ＭＯＳトランジスタによる擬似信号の発生を抑制しつつ周期的な擬似信号の変化を低減し、色再現性の良好な固体撮像装置を提供することが可能である。

（第４の実施形態）
図６に本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。画素の等価回路及び固体撮像装置のブロック図は第１及び第３の実施形態と同等である。本実施形態が第３の実施形態と異なる点は信号Ｒｅｓ（ｎ＋１）をハイレベルにして、ＦＤ部１０５を低い電位にリセットする期間ｔ１’を、水平走査期間Ｈｓｃａｎ（ｎ：１，ｎ：２）の期間内に設けた点である。本実施形態では、増幅ＭＯＳトランジスタ１０６の活性化から読み出しまでの期間は、信号Ｔｘ１（ｎ＋１）に対応するノイズ出力の読み出しに対してはｔ３’〜ｔ１４、信号出力の読み出しに対してはｔ３’〜ｔ１６である。そして、信号Ｔｘ２（ｎ＋１）に対応するノイズ出力の読み出しに対してはｔ３’〜ｔ１８、信号出力の読み出しに対してはｔ３’〜ｔ２０である。

さらに、本実施形態においては第３の実施形態で得られる効果に加えて、新たな効果も得られる。本発明者の研究により、以下の事が判明した。上記の特許文献２にて記載されているＭＯＳトランジスタのオン・オフの切り替わりによってＭＯＳトランジスタの特性が変化する。その事のみならず、ＭＯＳトランジスタのオン・オフ状態が切り替わるほどのゲートバイアスの変動で無くても、ゲートバイアス変動の影響を受けてＭＯＳトランジスタ特性が変化する事が判明した。駆動タイミングを示す図６における時刻ｔ１５においては、増幅ＭＯＳトランジスタ１０６は活性化状態を維持しつつも、ゲートバイアスに変動が起きている。このゲートバイアス変動に起因したＭＯＳトランジスタ特性の変化が小さいながらも発生する。より具体的には、転送スイッチ（転送ＭＯＳトランジスタ）１０３又は１０４がオンすると、増幅ＭＯＳトランジスタ１０６のチャネル下に存在する電荷が減少して過渡的に浮遊状態となる。このため、時刻ｔ１５における動作により増幅ＭＯＳの特性が変化することになる。

一方、時刻ｔ１７では増幅ＭＯＳトランジスタ１０６のゲート電位がリセットされるが、ここでは既に活性状態にある増幅ＭＯＳトランジスタ１０６に対して、高い電位に変化する。そのため、時刻ｔ１５とは異なり、時刻ｔ１７での電位の変化は、サンプルホールドされる信号に対しての影響はあまりない。なお、ここでは各光電変換素子で蓄積される電荷は電子であるとして説明したが、各光電変換素子で蓄積される電荷が正孔であったとしても同様の議論ができる。

本実施形態では、ｔ３’の時刻を調整することによって信号Ｔｘ１（ｎ＋１）により行う読み出しと信号Ｔｘ２（ｎ＋１）により行う読み出しの際に発生する増幅ＭＯＳトランジスタ１０６の特性変化量を同等に揃えることが可能となる。すなわち、若干の増幅ＭＯＳトランジスタ１０６の特性変化を残しつつも、画素共有化を行った固体撮像装置においても周期的な擬似信号の変化を低減し、色再現性の良好な固体撮像装置を提供することができる。よって、上述の第３の実施形態と同様に、あるいはそれ以上の改善効果にて、画素共有化を行った固体撮像装置においても周期的な擬似信号の変化を低減し、色再現性の良好な固体撮像装置を提供することができる。

さらに加えて、本実施形態では以下の効果が得られる。ＣＭＯＳセンサにおいては、画素ごとにある増幅ＭＯＳトランジスタを駆動するための定電流源が列ごとに設けられている。すなわち、増幅ＭＯＳトランジスタを駆動状態にする際には、列数分の定電流源が電流を流すことになり、大きな消費電力を必要する。本実施形態においては、水平走査期間中に電源電圧Ｖｒが常にハイレベルである必要がない。そのため、電源電圧Ｖｒのローレベル期間には増幅ＭＯＳトランジスタ１０６には電流が流れないか、もしくは著しく電流を低減することができる。それにより、本実施形態では定電流源による消費電流を大きく低減することが可能となる。よって、本実施形態では固体撮像装置の消費電力の低減が可能となる。

（第５の実施形態）
前記、本発明の第１〜第４の実施形態においては２つの光電変換素子１０１及び１０２で画素回路を共有化した例について記載した。本発明は上述の等価回路に限定されるものでは無く、３つ以上の光電変換素子にて画素回路を共有化した場合にもさらに大きな効果を得ることができる。例えば、上記の特許文献１の図１に記載されるように４つの光電変換素子にて画素回路を共有化した場合にも、第１から第４の実施形態と同様の考え方にて増幅ＭＯＳトランジスタを活性化する期間を長くすることが可能である。

図８は、本発明の第５の実施形態による画素の等価回路図である。１０１、１０２、８０３及び８０４は光電変換素子であり、それぞれ転送スイッチ１０３、１０４、８０５及び８０６を介してＦＤ部１０５に接続されている。ＦＤ部１０５は、実際には増幅ＭＯＳトランジスタ１０６のゲート容量、リセットＭＯＳトランジスタ１０７のソース容量、転送スイッチ１０３、１０４，８０５，８０６のドレイン容量及びこれらを接続する配線の寄生容量によって形成されるノードである。転送スイッチ１０３、１０４、８０５及び８０６のゲートはそれぞれ信号Ｔｘ１（ｎ）、Ｔｘ２（ｎ）、Ｔｘ３（ｎ）、Ｔｘ４（ｎ）により制御される。リセットＭＯＳトランジスタ１０７のゲートは信号Ｒｅｓ（ｎ）により制御される。ここでｎは画素の行のアドレスを示している。増幅ＭＯＳトランジスタ１０６のドレインと、リセットＭＯＳトランジスタ１０７のドレインは電源電圧Ｖｒに接続されている。電源電圧Ｖｒは可変電源であり、時刻によって異なる電位を与えることができる。増幅ＭＯＳトランジスタ１０６のソースは垂直信号線Ｏｕｔ（ｍ）に接続されている。ここでｍは画素の列のアドレスを示している。垂直信号線Ｏｕｔ（ｍ）には不図示のサンプルホールド回路が設けられており、垂直信号線に出力された信号を保持することができる。

図７に本発明の第５の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。図７のタイミング図では４つの光電変換素子１０１、１０２、８０３、８０４のそれぞれに対応する転送スイッチ１０３、１０４、８０５、８０６のゲートに印加するパルスをＴｘ１（ｎ）、Ｔｘ２（ｎ）、Ｔｘ３（ｎ）、Ｔｘ４（ｎ）で記述した。本実施形態では増幅ＭＯＳトランジスタ１０６の不活性化は時刻ｔ１で行われ、選択行の増幅ＭＯＳトランジスタ１０６は時刻ｔ２において活性化した後、信号Ｔｘ１（ｎ）〜Ｔｘ４（ｎ）により転送された電荷の読み出しが行われるまで、活性化状態を維持する。

なお、図７においては４行分の信号の水平走査は、水平走査期間Ｈｓｃａｎ（ｎ：１，ｎ：２）とＨｓｃａｎ（ｎ：３，ｎ：４）の２回に分けて行っているが、４行分の信号を保持するラインメモリを設ければ、一回の水平走査にて行うことも可能である。

第１の実施形態においては１つの増幅ＭＯＳトランジスタに接続された２つの光電変換素子のうち、２つ目に読み出す光電変換素子の読み出しにおいて本発明の効果を特に得ることができた。本実施形態で示したように、４つの光電変換素子にて共有化した場合には３／４の光電変換素子の読み出しにおいて本発明の効果を得ることができる。

本実施形態では第１の実施形態の駆動方法を４つの光電変換素子１０１、１０２、８０３、８０４にて共有化した場合に拡張する例を示したが、第２〜第４の実施形態の駆動方法を４つ以上の光電変換素子にて共有化した場合の駆動に拡張することも可能である。

以上、本発明の第５の実施形態では、増幅ＭＯＳトランジスタによる擬似信号の発生を抑制することで、固定パターンノイズやシェーディングの少ない固体撮像装置を実現することができる。さらに、擬似信号の大きさが周期的に変化するという問題を抑制することができるため、特に単板式カラーの固体撮像装置において良好な色再現性を実現することが可能となる。加えて、定電流源の消費電力を低減することが可能となり、低消費電力の固体撮像装置を提供することが可能となる。

以上のように、第１〜第５の実施形態の固体撮像装置は、撮像領域２０１、垂直走査回路２０２及び水平走査回路２０３を有する。撮像領域２０１は、複数の光電変換素子１０１，１０２と、一のフローティングディフュージョン部１０５と、複数の転送スイッチ１０３，１０４と、増幅トランジスタ１０６と、リセットトランジスタ１０７とを含む画素回路を２次元に配列している。複数の光電変換素子１０１，１０２は、光電変換により電荷を生成及び蓄積する。一のフローティングディフュージョン部１０５は、電荷を蓄積する。複数の転送スイッチ１０３，１０４は、前記複数の光電変換素子１０１，１０２に蓄積された電荷を前記一のフローティングディフュージョン部１０５にそれぞれ転送する。増幅トランジスタ１０６は、前記フローティングディフュージョン部１０５に蓄積された電荷に対応する電圧を増幅する。リセットトランジスタ１０７は、前記フローティングディフュージョン部１０５の電圧をリセットする。垂直走査回路２０２は、前記転送スイッチ１０３，１０４及び前記リセットトランジスタ１０７を制御する。水平走査回路２０３は、前記増幅トランジスタ１０６により増幅された電圧を出力部へ順次転送する。電源回路は、増幅トランジスタ１０６に供給する電源電圧Ｖｒをハイレベルにすることにより増幅トランジスタ１０６を活性状態にして増幅トランジスタ１０６に供給する電源電圧Ｖｒをローレベルにすることにより増幅トランジスタ１０６を不活性状態にする。電源回路は、水平走査回路２０３内の設けてもよいし、垂直走査回路２０２又は撮像領域２０１に設けてもよい。上記実施形態では、前記増幅トランジスタの活性状態を維持したまま前記複数の転送スイッチが前記複数の光電変換素子の電荷を順次前記フローティングディフュージョン部に転送し、前記水平走査回路が前記複数の光電変換素子の電荷に応じた電圧を順次読み出す。

図３、５、６、７では、前記増幅トランジスタ１０６の活性状態を維持する期間は、水平走査期間Ｈｓｃａｎの少なくとも一部を含む。

固体撮像装置は、相関二重サンプリングを行う。前記フローティングディフュージョン部１０５の電圧をリセットした状態で前記増幅トランジスタ１０６はリセット出力電圧を出力する。また、前記光電変換素子１０１、１０２の電荷を前記フローティングディフュージョン部１０５に転送した状態で前記増幅トランジスタ１０６は信号出力電圧を出力する。前記水平走査回路２０３は、前記リセット出力電圧と前記信号出力電圧との差分を出力する。

図６において、前記増幅トランジスタ１０６を活性状態にした後において、時刻ｔ３’から時刻ｔ１４までの期間と時刻ｔ１５から時刻ｔ１８までの期間とが同じ長さである。ここで、同じ長さとは、全く同一であることを意味するものではなく、多少の違いは許容される。時刻ｔ３’から時刻ｔ１４までの期間は、前記フローティングディフュージョン部１０５をリセットしてから前記複数の光電変換素子のうちの最初の光電変換素子の前記リセット出力電圧のサンプルホールドまでの期間である。時刻ｔ１５から時刻ｔ１８までの期間は、前記複数の光電変換素子のうちの最初の光電変換素子の電荷の転送から２番目の光電変換素子の前記リセット出力電圧のサンプルホールドまでの期間である。

ところで、一のフローティングディフュージョン部を複数の光電変換素子で共有する画素構成を有する固体撮像装置においては、複数の光電変換素子で蓄積された電荷をフローティングディフュージョン部で加算することができる。そのような場合でも本発明は適用可能で、加算する光電変換素子からの電荷を全てフローティングディフュージョン部に転送し、サンプルホールド回路でサンプルホールドさせた後にフローティングディフュージョン部をリセットすればよい。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の第１の実施形態による画素の等価回路図である。 本発明の第１の実施形態における固体撮像装置のブロック図である。 本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 本発明の第５の実施形態の固体撮像装置の駆動方法を示すタイミング図である。 本発明の第５の実施形態による画素の等価回路図である。

符号の説明

１０１、１０２ 光電変換素子
１０３、１０４ 転送スイッチ
１０５ ＦＤ部
１０６ 増幅ＭＯＳトランジスタ
１０７ リセットＭＯＳトランジスタ
２０１ 撮像領域
２０２ 垂直走査回路
２０３ 水平走査回路
２０４ 出力

Claims (4)

1. 光電変換により電荷を生成及び蓄積する複数の光電変換素子と、
   電荷を保持するための一のフローティングディフュージョン部と、
   前記複数の光電変換素子に蓄積された電荷を前記一のフローティングディフュージョン部にそれぞれ転送する複数の転送スイッチと、
   前記一のフローティングディフュージョン部に保持された電荷に対応する電圧を増幅する増幅トランジスタと
   を含む複数の画素回路を２次元に配列した撮像領域と、
   前記複数の転送スイッチを制御する垂直走査回路と、
   前記増幅トランジスタにより増幅された電圧を読み出すための水平走査回路と、
   前記増幅トランジスタに供給する電源電圧を制御することにより前記増幅トランジスタを活性状態にし、前記増幅トランジスタに供給する電源電圧を制御することにより前記増幅トランジスタを不活性状態にする電源回路とを有し、
   前記増幅トランジスタの活性状態を維持したまま前記複数の転送スイッチが前記複数の光電変換素子の電荷を順次前記一のフローティングディフュージョン部に転送し、前記水平走査回路により前記複数の光電変換素子の電荷に応じた電圧を順次読み出し、
   前記増幅トランジスタの活性状態を維持する期間は、水平走査期間の少なくとも一部を含み、
   一の前記画素回路からの信号を読み出す水平走査期間に、別の一の前記画素回路の前記増幅トランジスタが活性状態であることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記水平走査回路は、前記一のフローティングディフュージョン部の電圧をリセットした状態で前記増幅トランジスタが出力するリセット出力電圧と前記光電変換素子の電荷を前記一のフローティングディフュージョン部に転送した状態で前記増幅トランジスタが出力する信号出力電圧との差分を出力し、
   前記増幅トランジスタを活性状態にした後において、前記一のフローティングディフュージョン部をリセットしてから前記複数の光電変換素子のうちの最初の光電変換素子の前記リセット出力電圧のサンプルホールドまでの期間と、前記複数の光電変換素子のうちの最初の光電変換素子の電荷の転送から２番目の光電変換素子の前記リセット出力電圧のサンプルホールドまでの期間とが同じ長さであることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記画素回路は、さらに前記一のフローティングディフュージョン部の電圧をリセットするリセットトランジスタを有し、
   前記複数の光電変換素子の電荷を前記一のフローティングディフュージョン部に転送し、該フローティングディフュージョン部に転送された電荷に対応する電圧を増幅した出力電圧をサンプルホールドしてから、前記一のフローティングディフュージョン部をリセットすることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像装置。
4. 光電変換により電荷を生成及び蓄積する複数の光電変換素子と、
   電荷を保持するための一のフローティングディフュージョン部と、
   前記複数の光電変換素子に蓄積された電荷を前記一のフローティングディフュージョン部にそれぞれ転送する複数の転送スイッチと、
   前記一のフローティングディフュージョン部に保持された電荷に対応する電圧を増幅する増幅トランジスタと
   を含む複数の画素回路を２次元に配列した撮像領域と、
   前記複数の転送スイッチを制御する垂直走査回路と、
   前記増幅トランジスタにより増幅された電圧を読み出すための水平走査回路と、
   前記増幅トランジスタに供給する電源電圧を制御することにより前記増幅トランジスタを活性状態にして前記増幅トランジスタに供給する電源電圧を制御することにより前記増幅トランジスタを不活性状態にする電源回路とを有する固体撮像装置の駆動方法であって、
   前記増幅トランジスタの活性状態を維持したまま前記複数の転送スイッチが前記複数の光電変換素子の電荷を順次前記一のフローティングディフュージョン部に転送し、前記水平走査回路により前記複数の光電変換素子の電荷に応じた電圧を順次読み出し、
   前記増幅トランジスタの活性状態を維持する期間は、水平走査期間の少なくとも一部を含み、
   一の前記画素回路からの信号を読み出す水平走査期間に、別の一の前記画素回路の前記増幅トランジスタを活性状態にすることを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。

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